От молекул к черным дырам: уплотняем вещество

Наша вселенная очень многообразна: в ней есть место и безмассовым фотонам, и молекулам, и планетам, и огромным звездам. Рожденная 13 миллиардов лет назад и раздувшаяся в квадриллионы раз менее чем за секунду, она постепенно остыла до состояния смеси двух газов: 75% водорода и 25% гелия.

Впоследствии, наряду с глобальным расширением, происходило локальное сжатие газовых облаков - так появились первые звезды. Далее звезды эволюционировали и взрывались, порождая все более тяжелые элементы, которые повторяя цикл сжатия формировали астероиды, кометы, планеты и новые звезды.

Предлагаю вашему вниманию небольшой обзор возможных состояний вещества во вселенной в зависимости от массы (точнее плотности), и виды космических объектов, которые с этими состояниями связаны.

Туманность Carina Nebula

Итак, первое состояние - это просто Межзвездный Газ. Когда спустя 400 тысяч лет после своего рождения, вселенная остыла из состояния плазмы до состояния газа, он был очень плотным и горячим. Это событие ознаменовалось тем, что вселенная стала проницаема для света (до этого момента свободные электроны плазмы поглощали всё излучение). Как раз тогда от вещества отделилось так называемое Реликтовое Излучение.

Постепенно расширяясь, газ остывал и разбивался на огромные облака - будущие галактики и их скопления. Локальные неоднородности в этих облаках - сгустки газа - приводили к гравитационному коллапсу в звезды первого поколения. В недрах звезд происходил термоядерный синтез всей таблицы Менделеева и после короткой, но яркой жизни, практически все эти звезды взрывались, раскидывая по вселенной кирпичики для новых астрономических объектов.

Астероид Гаспра

Постепенно слипаясь, новые элементы образовывали Астероиды и Кометы - большие неоднородные глыбы из воды, металлов и скальных пород. Многие из них по сей день кружатся вокруг звезд, но некоторые сбились в огромные кучи, породив Планеты.

Принципиальное отличие планет от других видов объектов схожего состава - это дифференциация пород. Более тяжелые элементы уходят на дно, формируя горячее металлическое ядро (которое, впрочем, может со временем остыть), выше располагается полужидкая мантия, а сверху - кора. Так, в грубом приближении, выглядит наша родная планета Земля.

Строение типичной планеты Земля

Если на размерах Земли процесс сборки не останавливается, то рождается Газовый Гигант - планета с расплавленным тяжелым ядром и огромной шапкой из жидкого газа - в основном водорода. При этом, ближе к ядру на глубине 50 тысяч километров водород может принимать состояние металла.

Если прожорливый газовый гигант продолжит поглощать окружающее вещество, родится самая маленькая из звезд - Коричневый Карлик. В ее недрах при давлении 100.000.000.000 атмосфер и температуре 3 миллиона градусов начинаются термоядерные реакции легких элементов вплоть до Бора. Их хватает только на разогрев звездочки, в видимом диапазоне она почти не светит. Если бы наш Юпитер подрос раз в 10, он стал бы именно такой звездой.

Художественные фантазии на тему коричневого карлика

Звезды потолще выходят на так называемую Главную Последовательность - класс звёзд, энергия которых проистекает из термоядерного синтеза Водорода в Гелий. Звезды этой последовательности имеют массу от 10% солнечной (красные карлики) до 50х размера нашего светила (голубые гиганты). Масса самых огромных звезд по современным представлениям не может превышать 250 солнечных, а вот размер может быть в тысячи раз больше.

Когда звезда выгорает, ее ждет три основных сценария. Первый из них - постепенное остывание, относительно медленное скидывание внешних оболочек и превращение в Белый Карлик. При массах, сравнимых с солнечной, эти останки звезд имеют в 100 раз меньший размер. Плотность их ядер достигает 10⁹ г/см³, что выше плотности любого известного вещества на Земле. При таких плотностях электроны выдавливаются со своих оболочек и вещество находится в состоянии электронно-ядерной каши.

Нейтронная звезда в разрезе. Плотнее не бывает.

Если поджать белого карлика в несколько тысяч раз, то электроны окажутся вдавленными в протоны и все, что останется в сердцевине звезды - это нейтроны. Ну и сама звезда станет, соответственно, Нейтронной. При массе равной солнечной, она будет иметь размер всего в несколько десятков километров - немногим больше какой-нибудь внушительной горы. Нейтронная звезда наследует момент инерции и магнитное поле своей звезды-предшественницы, что приводит к бешеной скорости вращения этого шарика. Магнитное поле у поверхности достигает астрономических величин в 100.000.000.000 Тесла (у Земли жалкие 0.000065 Тесла). Теперь уже плотность энергии магнитного поля превышает плотность стали! При таком поле и такой гравитации в полный рост встают релятивистские эффекты - искривление пространства и замедление времени.

Еще немного усилий, и нейтронная звезда сколлапсирует в Черную Дыру. В этом случае говорить о состоянии вещества уже не приходится - ни плотности, ни внутреннего строения в нашем понимании у черных дыр нет. Есть только горизонт событий, заглянуть за который, к сожалению, мы пока не в силах даже теоретически.

Подготовил @grrra для проекта @space7
Все картинки принадлежат своим правообладателям